一種基于壓電陶瓷機敏模塊的水工混凝土強度監(jiān)測裝置和方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種基于壓電陶瓷機敏模塊的水工混凝土強度監(jiān)測裝置，包括波形發(fā)生器（1）、驅(qū)動器（2）、傳感器（3）、信號接收設(shè)備（4）、數(shù)字濾波器（5）、數(shù)字示波器（6）和模糊推理系統(tǒng)（7）；波形發(fā)生器（1）發(fā)出信號后依次經(jīng)過驅(qū)動器（2）、傳感器（3）、信號接收設(shè)備（4）、數(shù)字濾波器（5）、數(shù)字示波器（6）和模糊推理系統(tǒng)（7）。本發(fā)明在對混凝土結(jié)構(gòu)抗壓強度與應(yīng)力波振幅相關(guān)關(guān)系分析的基礎(chǔ)上，研究了利用壓電陶瓷機敏模塊實現(xiàn)混凝土抗壓強度間接監(jiān)測的原理、方法，論證了本發(fā)明的可行性和有效性，對于基于壓電陶瓷材料的水工混凝土結(jié)構(gòu)強度監(jiān)測具有重要意義。
【專利說明】一種基于壓電陶瓷機敏模塊的水工混凝土強度監(jiān)測裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種監(jiān)測水工混凝土強度指標的測試裝置和方法，具體涉及到一種基于壓電陶瓷機敏模塊的水工混凝土強度監(jiān)測裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]擋水建筑物在承受上游巨大水壓力的同時，還要承受著諸如地震、氣候驟變、混凝土收縮破壞、老化、腐蝕等的破壞。大體積水工混凝土結(jié)構(gòu)在澆筑過程中會產(chǎn)生大量的水化熱，隨著時間的推移，混凝土內(nèi)部的溫度會逐漸降低至一個相對穩(wěn)定的值，在此期間，混凝土強度一直處于變化中，若溫度控制不當極易導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。對于水工混凝土強度指標的監(jiān)控，急切需要新材料及新技術(shù)的引入，達到實時、高效及準確的監(jiān)測及控制。
[0003]壓電陶瓷在土木、航天、建筑以及材料科學(xué)方面具有廣泛的應(yīng)用，范圍涵蓋與電學(xué)相關(guān)的傳感器領(lǐng)域到與力學(xué)相關(guān)的結(jié)構(gòu)、振動領(lǐng)域，應(yīng)用前景廣闊，并且壓電陶瓷傳感器具有頻響范圍寬、響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)簡單、功耗少、成本低等優(yōu)點，由其構(gòu)成的結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)能夠靈敏的感應(yīng)監(jiān)測到結(jié)構(gòu)損傷的存在和強度的變化情況。壓電陶瓷材料用于大體積水工混凝土結(jié)構(gòu)監(jiān)測和診斷，具有成本低廉、響應(yīng)快、能耗低、靈敏度高等許多優(yōu)點，但水工混凝土結(jié)構(gòu)多體型龐大、施工過程復(fù)雜、服役時間長，而壓電陶瓷片自身材質(zhì)較脆、對外界環(huán)境反應(yīng)極為敏感，直接埋設(shè)于被監(jiān)測主體結(jié)構(gòu)中，極易造成壓電陶瓷片的損壞。因此，將壓電陶瓷應(yīng)用到大體積水工混凝土結(jié)構(gòu)中，對水工混凝土強度指標的測試仍是一個空白。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]發(fā)明目的:本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種可保證結(jié)構(gòu)監(jiān)測的有效性和長期性的基于壓電陶瓷機敏模塊的水工混凝土強度監(jiān)測裝置及方法。
[0005]技術(shù)方案:本發(fā)明所述的基于壓電陶瓷機敏模塊的水工混凝土強度監(jiān)測裝置，包括波形發(fā)生器、驅(qū)動器、傳感器、信號接收設(shè)備、數(shù)字濾波器、數(shù)字示波器和模糊推理系統(tǒng)；波形發(fā)生器發(fā)出信號后依次經(jīng)過驅(qū)動器、傳感器、信號接收設(shè)備、數(shù)字濾波器、數(shù)字示波器和模糊推理系統(tǒng)；
[0006]所述驅(qū)動器和傳感器均為壓電陶瓷機敏模塊(CPSM，Concrete PZT SmartModule)，所述驅(qū)動器和所述傳感器分別埋入在待測水工混凝土試件的兩端；
[0007]所述壓電陶瓷機敏模塊包括壓電陶瓷片、硫化硅橡膠層、信號線和外包混凝土，所述硫化硅橡膠層包覆在所述壓電陶瓷片的外圍，包覆有硫化硅橡膠層的壓電陶瓷片埋入在外包混凝土中；所述信號線的一端焊接在壓電陶瓷片上，另一端穿過外包混凝土與其他元器件連接。
[0008]借助本發(fā)明裝置，通過在水工混凝土試塊中安放壓電陶瓷機敏模塊對作為驅(qū)動器和傳感器，采用波動法，收集混凝土試塊在澆筑過程中的應(yīng)力波振幅，應(yīng)用模糊推理方法分析構(gòu)建了混凝土試塊強度與應(yīng)力波幅值的數(shù)學(xué)關(guān)系模型，從而實現(xiàn)混凝土強度的間接監(jiān)測。本發(fā)明裝置除了混凝土壓電陶瓷機敏模塊之外，通常需要配備信號生成設(shè)備和信號采集設(shè)備等，其與混凝土壓電陶瓷機敏模塊構(gòu)成一套結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)，制作混凝土壓電陶瓷機敏模塊時不可避免的出現(xiàn)漏電現(xiàn)象，接收到的信號中可能混有交流電的頻率，故將傳感器連接數(shù)字濾波器；經(jīng)過濾波器的信號通過示波器可以測量出收到的應(yīng)力波的幅值，以此用于混凝土強度監(jiān)測。
[0009]制備機敏模塊時，對于壓電陶瓷片的外包混凝土來講，其僅起到一個傳遞應(yīng)力的作用，而非承力的主體，故在制作過程中無需加入粗集料和鋼筋等材料，所述外包混凝土由水、細集料的水泥砂漿進行澆筑，這樣可減少粗集料及鋼筋和其他性質(zhì)分布不均勻的配料在壓電陶瓷片上產(chǎn)生的局部應(yīng)力集中；對于壓電陶瓷片需綜合考慮其容易破壞的性質(zhì)、壓電陶瓷機敏模塊接收和發(fā)射信號的應(yīng)用性質(zhì)等多種因素，并且，還要去除其表面的氧化膜，以保證壓電陶瓷機敏模塊具有良好的電荷傳輸功能；對于信號線，待表面干燥后焊接導(dǎo)線，焊接點盡量保證足夠小，以保證表面所涂防水層足夠薄，焊接完成再用酒精清洗；考慮到壓電陶瓷片自身材質(zhì)較脆，而外包混凝土又是一種復(fù)雜的多物相復(fù)合材料，若不作任何處理就將壓電陶瓷片直接埋入混凝土模塊中，在混凝土凝結(jié)過程中，混凝土體積會逐漸縮小而產(chǎn)生收縮應(yīng)力，導(dǎo)致埋入其中的壓電陶瓷片上形成應(yīng)力集中，損傷壓電陶瓷片，并且單組分硫化硅橡膠質(zhì)地柔軟，防水性好，且能夠較好的避免壓電陶瓷片埋入混凝土中可能出現(xiàn)的應(yīng)力集中現(xiàn)象，基于上述兩個方面的因素在壓電陶瓷片外圍覆蓋一層單組分硫化硅橡膠以達到保護埋入混凝土中的壓電陶瓷片的效果，具體見附圖3所示；應(yīng)力、位移從壓電陶瓷片向外層混凝土傳遞過程中沿極化方向上呈圓形等勢面，故將壓電陶瓷機敏模塊的體型確定為圓柱形；壓電陶瓷機敏模塊放在水泥混凝土標準養(yǎng)護箱里養(yǎng)護28天后，壓電陶瓷機敏模塊中壓電陶瓷片外包混凝土達到一定強度后，即可用于后續(xù)水工混凝土結(jié)構(gòu)的強度監(jiān)測。
[0010]本發(fā)明基于壓電陶瓷機敏模塊的水工混凝土強度監(jiān)測裝置進行水工混凝土強度監(jiān)測的方法，包括如下步驟:
[0011](I)建立混凝土水化過程中應(yīng)力波振幅變化與強度的映射關(guān)系；混凝土為水泥、水、細砂摻合料，在硬化或水化的過程中其強度會隨著時間的延長而逐漸變大，在澆筑起始階段的強度增長最快，28天后混凝土的強度開始趨于穩(wěn)定，基于28天的混凝土強度f' c設(shè)計混凝土結(jié)構(gòu)。應(yīng)力波在混凝土中的傳播沿極化方向可以看作一維縱向傳播，具體見附圖
4;微小單元的波動方程可表示為.4$辦+為agi/z = 0,式中:0為軸向應(yīng)力；11為軸向位
OZΟ?Τ
移；Α為微小單元截面積；P為混凝土密度；表征微小單元的應(yīng)力差；Ap^dz表
Ozcr
征微小區(qū)間的慣性力。忽略應(yīng)變速度的影響，設(shè)E為混凝土彈性模量，ε為軸向應(yīng)變，由虎


-*\2 j 2
克定律可得σ =五S=-五&，由上述兩公式可得# =可j (4=%)，式中:u為單元
dz(仏 ch otζ λ
位移出為介質(zhì)材料的彈性模量；P是介質(zhì)材料的密度。一定時間段內(nèi)簡諧波的能量可以表示為ρ ==ν?，式中:ρ為簡諧波的能量，A為簡諧波的振幅，ω為角頻I
率；上式可以表示為，由該式可以看出，簡諧波的振幅受介質(zhì)彈性模量的

ν?Λ ePj
影響。在混凝土硬化過程中，隨著時間的推移，混凝土的剛度會逐漸增大，而彈性模量E又是混凝土剛度的反映，混凝土剛度的增加必然引起簡諧波振幅的降低。因此，通過監(jiān)測介質(zhì)中彈性波的振幅可以間接獲知混凝土在水化階段的強度發(fā)展情況。
[0012](2)由應(yīng)力波振幅變化與強度的映射關(guān)系構(gòu)建模糊推理系統(tǒng)平臺；模糊推理系統(tǒng)是建立在模糊集合論、模糊規(guī)則和模糊推理等基礎(chǔ)上的計算框分析工具，從功能上來看，模糊推理系統(tǒng)主要由模糊化、模糊規(guī)則庫、模糊推理方法及去模糊化幾部分組成，具體見附圖5。其中，對于模糊化來講，精確值輸入模糊推理系統(tǒng)時，一般要將其模糊化成給定論域上的模糊集合，為了利用模糊推理系統(tǒng)，依據(jù)前期混凝土應(yīng)力波振幅推測后期應(yīng)力波幅值，采用高斯隸屬函數(shù)法進行模糊化處理。設(shè)Z為精確值，A為轉(zhuǎn)換后的模糊集合，高斯隸屬
函數(shù)法表示為:μ 二 e ?σ-，式中:μ為隸函數(shù)值；χ為輸入值；參數(shù)σ為隸函數(shù)
的寬度，其描述了高斯函數(shù)的陡度；對于模糊規(guī)則庫來講，根據(jù)混凝土的強度和其中傳播的應(yīng)力波波幅存在的一定對應(yīng)關(guān)系，建立模糊規(guī)則；去模糊化又稱為清晰化，使用中心平均去模糊化法，即最大隸屬度法與重心法兩者的折中，若模糊推理結(jié)果由N個模糊集合組成，
令K為第i個模糊集合的中心，/4?Cv)為該模糊集合所對應(yīng)的最大隸屬度，則通過中心平
乞(y;"L (O)
均去模糊化方法得到的清晰值/為/-，對于有N個元素的離散論域，模糊
E^max(V)
集合的中心< 實質(zhì)上就是模糊單點值yi，最大隸屬度/4? Cv)實質(zhì)上就是對應(yīng)的隸屬度




Σ (I’"/?！?))
μ (Yi)，則利用中心平均去模糊化方法得到的清晰/為J =j^r-，式中，YiS模糊單


Σμ..η)






/=1
點值，μ (Yi)為yi對應(yīng)的最大隸屬度，/為輸出值。
[0013](3)由波形發(fā)生器發(fā)射信號，激勵待測水工混凝土試件中的驅(qū)動器產(chǎn)生應(yīng)力波，應(yīng)力波在待測水工混凝土試件中傳播，通過另一端的傳感器接收；應(yīng)力波經(jīng)過信號接收設(shè)備、數(shù)字濾波器的濾去其中的低頻噪聲信號后，通過示波器測量出收到的應(yīng)力波的幅值，將采集的應(yīng)力波幅值輸入訓(xùn)練好的模糊推理系統(tǒng)平臺，即可獲得混凝土的抗壓強度預(yù)測值。
[0014]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其有益效果是:1、本發(fā)明在對混凝土結(jié)構(gòu)抗壓強度與應(yīng)力波振幅相關(guān)關(guān)系分析的基礎(chǔ)上，研究了利用壓電陶瓷機敏模塊實現(xiàn)混凝土抗壓強度間接監(jiān)測的原理、方法，論證了本發(fā)明的可行性和有效性，對于基于壓電陶瓷材料的水工混凝土結(jié)構(gòu)強度監(jiān)測具有重要意義。2、本發(fā)明基于壓電陶瓷材料的智能性、驅(qū)動性和傳感性的機理，結(jié)合水工結(jié)構(gòu)工程的基本特點，研發(fā)了用于水工混凝土強度監(jiān)測的試驗平臺，對實現(xiàn)水工混凝土結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測具有重要意義；基于壓電陶瓷主動傳感、響應(yīng)快、可以制成不同的形狀、應(yīng)用較為簡單以及相對便宜的特性，使得本測試平臺相對于傳統(tǒng)的測試平臺，具有精度高、布設(shè)簡單、監(jiān)測成本低、工作效率高、工程適用性強等眾多優(yōu)點，對于其在大壩安全監(jiān)控方面的運用具有重要的意義。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為基于CPSM的結(jié)構(gòu)強度監(jiān)測系統(tǒng)組成示意圖；
[0016]圖2為CPSM的基本組成示意圖；
[0017]圖3為壓電陶瓷片防護措施示意圖；
[0018]圖4為一維結(jié)構(gòu)任意單元受力情況圖；
[0019]圖5為模糊推理流程圖；
[0020]圖6為模型幾何尺寸示意圖。
【具體實施方式】
[0021]下面對本發(fā)明技術(shù)方案進行詳細說明，但是本發(fā)明的保護范圍不局限于所述實施例。
[0022]實施例1:以下將結(jié)合附圖詳細地說明本發(fā)明的技術(shù)方案，基于附圖1?3所示，本水工混凝土強度測試平臺以Agilent33250A任意波形發(fā)生器、Φ25_Χ (25?30)_圓柱體的混凝土壓電陶瓷機敏模塊、dSPACE公司的DS1103系統(tǒng)信號接受器、數(shù)字濾波器、DS07034B型數(shù)字示波器、模糊推理系統(tǒng)、被測混凝土塊結(jié)構(gòu)體(82cmX52cmX40cm)等構(gòu)成。對于混凝土壓電陶瓷機敏模塊由型號為SD-5TC硫化硅橡膠、混凝土試件及埋入混凝土試件中PCB公司的PIC151型壓電陶瓷片、信號線等構(gòu)成。
[0023]基于上述的測試裝置，本發(fā)明所述基于壓電機敏模塊的水工混凝土強度測試方法如下:
[0024]步驟一、設(shè)計及制備混凝土壓電機敏模塊。由于壓電陶瓷機敏模塊需要兼有發(fā)射和接收超聲信號的能力，故選擇壓電陶瓷片時必須考慮發(fā)射功率和敏感性等因素，本實施例中選用PCB公司的PIC151型壓電陶瓷片，利用玻璃刀將壓電陶瓷片切割成規(guī)格為長度X寬度X厚度=IOmmXlOmmXlmm的小壓電陶瓷片，用酒精去除表面的氧化膜，待表面干燥后焊接導(dǎo)線，焊接完成再用酒精清洗，使用SD-5TC型號單組分硫化硅橡膠來保護埋入混凝土中的壓電陶瓷片，采用C32.5硅酸鹽水泥、細集料，以水、細集料、水泥的重量比為1:2.9:2.09的水泥砂漿進行機敏模塊的澆筑。考慮到其他儀器配套以及對比分析，試驗中將混凝土壓電陶瓷機敏模塊澆鑄成Φ25πιπιΧ (25?30)mm的圓柱體，將壓電陶瓷機敏模塊放在水泥混凝土標準養(yǎng)護箱里養(yǎng)護28天后，壓電陶瓷機敏模塊中壓電陶瓷片外包混凝土達到一定強度后，即可用于后續(xù)水工混凝土結(jié)構(gòu)的強度監(jiān)測。
[0025]步驟二、設(shè)計及制作待監(jiān)測模型。試驗中采用標號為C32.5的低熱混凝土，混凝土模型制作過程中未加入粗集料和鋼筋等材料，而只使用了砂和水泥，水、細砂和水泥的重量比仍為1:2.9:2.09。模型尺寸為82cmX52cmX40cm，在模型中心處設(shè)置三組壓電陶瓷機敏模塊分別作為驅(qū)動器和傳感器用于混凝土水化過程中應(yīng)力波振幅的收集，進而實現(xiàn)混凝土強度的間接監(jiān)測。它們兩兩相距10cm，且極化方向在同一條直線上；在它們之間豎立4根鋼管，以便通過溫度計測量水化熱的變化情況。模型尺寸和制作過程見附圖6所示，圖中單位為cm，13為鋼管，14為壓電陶瓷機敏模塊(CPSM)。
[0026]步驟三、配備信號的發(fā)射與采集裝置平臺。采用任意波形發(fā)生器Agilent33250A發(fā)射任意信號，采用DS07034B示波器獲取信號能量和頻率的關(guān)系。任意波形發(fā)生器Agilent33250A為單通道波形發(fā)生器，其發(fā)射頻率范圍為I μ Hz?80MHz，信號幅值范圍為ImV?10V，同頻率情況下，幅值越大，能量越大。發(fā)射的信號用于激勵壓電陶瓷機敏模塊發(fā)射信號，同時壓電陶瓷機敏模塊發(fā)射的信號又被其他的混凝土壓電陶瓷機敏模塊接收，經(jīng)過數(shù)字濾波器的濾波，最終以數(shù)字的形式在數(shù)字示波器上顯示出來。在混凝土水化過程中，利用任意波形發(fā)生器發(fā)射不同頻率信號，通過示波器獲得不同頻率下的CPSM所接收到的信號，根據(jù)其幅值的大小情況確定后續(xù)試驗中采用信號的頻率。本實施例試驗方案設(shè)計的PZT-1-1 和 ΡΖΤ-1-2、ΡΖΤ-2-1 和 ΡΖΤ-2-2、ΡΖΤ-3_1 和 ΡΖΤ-3-2 兩兩同軸，且相距均為 IOcm ；將 PZT-1-1、ΡΖΤ-2-1 和 ΡΖΤ-3-1 分別作為驅(qū)動器，ΡΖΤ-1-2、ΡΖΤ-2-2 和 ΡΖΤ-3-2 分別作為傳感器感應(yīng)信號，如圖6。
[0027]步驟四、基于埋置壓電陶瓷機敏模塊進行大尺寸混凝土測試試驗。埋置三組壓電陶瓷機敏模塊(編號:ΡΖΤ-1-1 和 ΡΖΤ-1-2，ΡΖΤ-2-1 和 ΡΖΤ-2-2，ΡΖΤ-3-1 和 ΡΖΤ-3-2)的較大尺寸混凝土模型，并對此模型進行試驗，試驗中選擇頻率為22kHz的超聲信號作為發(fā)射頻率。Agilent任意波形發(fā)生器輸出的激勵電壓振幅為10V。一端壓電陶瓷機敏模塊被激發(fā)發(fā)射超聲信號，對應(yīng)的另一端壓電陶瓷機敏模塊接收由于在混凝土中傳播而引起衰減的信號，利用壓電陶瓷機敏模塊采集到的混凝土試塊水化過程應(yīng)力波幅值。
[0028]步驟五、利用設(shè)計好的模糊推理系統(tǒng)，經(jīng)訓(xùn)練后可實現(xiàn)借助壓電陶瓷機敏模塊的混凝土強度間接監(jiān)測。其中對于模糊規(guī)則庫，應(yīng)力波的振幅隨著混凝土彈性模量的增大而減小，應(yīng)力波的振幅而混凝土的彈性模量正比例于混凝土的強度，即混凝土的彈性模量在水化過程中隨著混凝土強度的發(fā)展而不斷增大，因此，指定如下模糊規(guī)則，規(guī)則一:如果應(yīng)力波振幅A為大，則混凝土抗壓強度C為??；規(guī)則二:如果應(yīng)力波振幅A為較大，則混凝土抗壓強度C為較小；規(guī)則三:如果應(yīng)力波振幅A為一般，則混凝土抗壓強度C為一般；規(guī)則四:如果應(yīng)力波振幅A為較小，則混凝土抗壓強度C為較大；規(guī)則五:如果應(yīng)力波振幅A為小，則混凝土抗壓強度C為大。選擇第7天?第12天共13個樣本點(間隔為12個小時)的應(yīng)力波幅值和對應(yīng)的混凝土強度實測值組成訓(xùn)練樣本集，訓(xùn)練模糊推理系統(tǒng)。
[0029]步驟六、實現(xiàn)混凝土抗壓強度的間接監(jiān)測。將壓電陶瓷機敏模塊采集的應(yīng)力波振幅輸入上述訓(xùn)練好的模糊推理系統(tǒng)，即可獲得混凝土的抗壓強度預(yù)測值。試驗中，將第15?28天由PZT-2-2采集到的應(yīng)力波振幅作為模糊推理系統(tǒng)的輸入，得到的混凝土抗壓強度。有分析結(jié)果可知，借助模糊推理系統(tǒng)，間接得到的混凝土強度與由萬能試驗機直接測得的強度值相差較小，誤差在5%之內(nèi)，據(jù)此驗證了該測試裝置及方法的合理性、精確性及有效性。
[0030]如上所述，盡管參照特定的優(yōu)選實施例已經(jīng)表示和表述了本發(fā)明，但其不得解釋為對本發(fā)明自身的限制。在不脫離所附權(quán)利要求定義的本發(fā)明的精神和范圍前提下，可對其在形式上和細節(jié)上作出各種變化。
【權(quán)利要求】
1.一種基于壓電陶瓷機敏模塊的水工混凝土強度監(jiān)測裝置，其特征在于:包括波形發(fā)生器(I)、驅(qū)動器(2)、傳感器(3)、信號接收設(shè)備(4)、數(shù)字濾波器(5)、數(shù)字示波器(6)和模糊推理系統(tǒng)(7);波形發(fā)生器(I)發(fā)出信號后依次經(jīng)過驅(qū)動器(2)、傳感器(3)、信號接收設(shè)備(4)、數(shù)字濾波器(5)、數(shù)字示波器(6)和模糊推理系統(tǒng)(7)； 所述驅(qū)動器(2)和傳感器(3)均為壓電陶瓷機敏模塊，所述驅(qū)動器(2)和所述傳感器(3)分別埋入在待測水工混凝土試件(8)的兩端； 所述壓電陶瓷機敏模塊包括壓電陶瓷片(10)、硫化硅橡膠層(12)、信號線(11)和外包混凝土(9)，所述硫化硅橡膠層(12)包覆在所述壓電陶瓷片(10)的外圍，包覆有硫化硅橡膠層(12)的壓電陶瓷片(10)埋入在外包混凝土(9)中；所述信號線(11)的一端焊接在壓電陶瓷片(10)上，另一端穿過外包混凝土(9)與其他元器件連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于壓電陶瓷機敏模塊的水工混凝土強度監(jiān)測裝置，其特征在于:所述壓電陶瓷機敏模塊為圓柱形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于壓電陶瓷機敏模塊的水工混凝土強度監(jiān)測裝置，其特征在于:所述外包混凝土(9)由水、細集料的水泥砂漿進行澆筑。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于壓電陶瓷機敏模塊的水工混凝土強度監(jiān)測裝置進行水工混凝土強度監(jiān)測的方法，其特征在于，包括如下步驟: (1)建立混凝土水化過程中應(yīng)力波振幅變化與強度的映射關(guān)系； (2)由應(yīng)力波振幅變化與強度的映射關(guān)系構(gòu)建模糊推理系統(tǒng)平臺； (3)由波形發(fā)生器發(fā)射信號，激勵待測水工混凝土試件中的驅(qū)動器產(chǎn)生應(yīng)力波，應(yīng)力波在待測水工混凝土試件中傳播， 通過另一端的傳感器接收；應(yīng)力波經(jīng)過信號接收設(shè)備、數(shù)字濾波器的濾去其中的低頻噪聲信號后，通過示波器測量出收到的應(yīng)力波的幅值，將采集的應(yīng)力波幅值輸入訓(xùn)練好的模糊推理系統(tǒng)平臺，即可獲得混凝土的抗壓強度預(yù)測值。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于: 步驟(I)中，應(yīng)力波在混凝土中的傳播沿極化方向看作一維縱向傳播；微小單元的波動方程表示為A^dz + Ap^rdz = O，
式中:σ為軸向應(yīng)力；u為軸向位移；A為微小單元截面積；P為混凝土密度；A—dz





OZ表征微小單元的應(yīng)力_辦表征微小區(qū)間的慣性力；

Ol 忽略應(yīng)變速度的影響，設(shè)E為混凝土彈性模量，ε為軸向應(yīng)變，由虎克定律可得I2σ = Εε = -E-,由上述兩公式可得式中:u為單元位移；E為介 dzdz' cb/ P質(zhì)材料的彈性模量；P是介質(zhì)材料的密度； 一定時間段內(nèi)簡諧波的能量可以表示力Ρ-ΕΑ?(?Υ2α,式中Φ為簡諧波的能量，A為簡諧波的振幅，ω為角頻率；上式可以表示為
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于:步驟(2)中，根據(jù)混凝土的強度和其中傳播的應(yīng)力波波幅的應(yīng)關(guān)系，建立模糊規(guī)則；使用中心平均去模糊化法，即最大隸屬度法與重心法兩者的折中，若模糊推理結(jié)果由N個模糊集合組成，令V,+為第i個模糊集合的中心，//LixCv)為該模糊集合所對應(yīng)的最大隸屬度，則通過中心平均去模糊化方法得到的清晰值/為
【文檔編號】G01N27/00GK103472095SQ201310409239
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月10日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月10日
【發(fā)明者】蘇懷智, 張楠, 楊孟, 田始光, 沈壽亮 申請人:河海大學(xué)